基于dem地图经纬度和高度以及许多约束条件下的无人机航路规划A星算法Python实现

时间: 2023-05-31 14:06:00 浏览: 60
# -*- coding: utf-8 -*- import numpy as np import math import heapq import matplotlib.pyplot as plt class AStarPlanner: def __init__(self, dem_file, resolution, safe_distance): self.dem_file = dem_file self.resolution = resolution self.safe_distance = safe_distance self.dem = None self.dem_size = None self.min_elevation = None self.max_elevation = None self.obstacle_cost = 99999 def load_dem(self): dem = np.loadtxt(self.dem_file, delimiter=',') self.dem_size = dem.shape self.min_elevation = np.min(dem) self.max_elevation = np.max(dem) dem = (dem - self.min_elevation) / (self.max_elevation - self.min_elevation) self.dem = dem return dem def get_elevation(self, lat, lon): row = int((lat - self.resolution / 2) / self.resolution) col = int((lon - self.resolution / 2) / self.resolution) if row < 0 or row >= self.dem_size[0] or col < 0 or col >= self.dem_size[1]: return None return self.dem[row, col] def get_cost(self, lat, lon, alt): elevation = self.get_elevation(lat, lon) if elevation is None: return self.obstacle_cost if alt < elevation + self.safe_distance: return self.obstacle_cost return 1 / (alt - elevation) def heuristic(self, lat1, lon1, alt1, lat2, lon2, alt2): dx = abs(lon1 - lon2) * 111000 * math.cos(lat1 / 180 * math.pi) dy = abs(lat1 - lat2) * 111000 dz = abs(alt1 - alt2) return math.sqrt(dx ** 2 + dy ** 2 + dz ** 2) def plan(self, start_lat, start_lon, start_alt, end_lat, end_lon, end_alt): self.load_dem() start_row = int((start_lat - self.resolution / 2) / self.resolution) start_col = int((start_lon - self.resolution / 2) / self.resolution) end_row = int((end_lat - self.resolution / 2) / self.resolution) end_col = int((end_lon - self.resolution / 2) / self.resolution) if start_row < 0 or start_row >= self.dem_size[0] or start_col < 0 or start_col >= self.dem_size[1]: raise ValueError("Start point is out of DEM range") if end_row < 0 or end_row >= self.dem_size[0] or end_col < 0 or end_col >= self.dem_size[1]: raise ValueError("End point is out of DEM range") start_cost = self.get_cost(start_lat, start_lon, start_alt) end_cost = self.get_cost(end_lat, end_lon, end_alt) heap = [] heapq.heappush(heap, (start_cost, start_row, start_col, start_alt, None)) visited = set() parent = {} while heap: cost, row, col, alt, p = heapq.heappop(heap) if (row, col, alt) in visited: continue visited.add((row, col, alt)) parent[(row, col, alt)] = p if row == end_row and col == end_col: path = [(end_lat, end_lon, end_alt)] while (row, col, alt) != (start_row, start_col, start_alt): p_row, p_col, p_alt = parent[(row, col, alt)] lat = (row + 0.5) * self.resolution lon = (col + 0.5) * self.resolution alt = alt - self.resolution / 2 path.append((lat, lon, alt)) row, col, alt = p_row, p_col, p_alt path.append((start_lat, start_lon, start_alt)) path.reverse() return path for i in range(-1, 2): for j in range(-1, 2): for k in range(-1, 2): if i == 0 and j == 0 and k == 0: continue new_row, new_col, new_alt = row + i, col + j, alt + k * self.resolution if new_row < 0 or new_row >= self.dem_size[0] or new_col < 0 or new_col >= self.dem_size[1]: continue if (new_row, new_col, new_alt) in visited: continue cost = self.get_cost(new_row * self.resolution, new_col * self.resolution, new_alt) if cost == self.obstacle_cost: continue h = self.heuristic(new_row * self.resolution, new_col * self.resolution, new_alt, end_lat, end_lon, end_alt) heapq.heappush(heap, (cost + h, new_row, new_col, new_alt, (row, col, alt))) raise ValueError("Cannot find a valid path") if __name__ == '__main__': planner = AStarPlanner('dem.csv', 0.0001, 20) path = planner.plan(39.9210, 116.4471, 100, 39.9039, 116.4273, 100) path_lat = [p[0] for p in path] path_lon = [p[1] for p in path] plt.plot(path_lon, path_lat) plt.show()

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